前沿：500美元一次性無創檢測8種癌症：腫瘤早診大突破
約翰·霍普金斯大學的研究團隊最近研發了一種早期腫瘤篩查方法，可以同時檢測出8種腫瘤。Credit: Elizabeth Cook與Kaitlin Lindsay製圖。
撰文 | 王承志
責編 | 陳曉雪
知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual
腫瘤是目前對人類威脅最大的疾病之一。如果不發生轉移，大部分實體腫瘤可以通過手術切除完全治癒。一旦腫瘤發生轉移，僅靠手術通常無濟於事。
實際上，很多成人的腫瘤從初期病變發展到晚期要經歷長達20-30年的時間。如何在早期檢測到腫瘤，特別是在影像學能檢測到腫瘤之前發現病變，是醫學界的一個重要的研究方向。
目前唯一廣泛使用的腫瘤早期篩查技術是前列腺癌特異抗原（PSA，一種激肽酶家族蛋白，正常人血漿中含量極低，常用於作為前列腺癌患者的生物標誌物），然而這種檢測技術的特異性還存在較大爭議。目前臨床常用的其它腫瘤早篩項目通常是侵入性或放射性的，例如結腸鏡和乳腺X線檢查。而無創檢查如血檢的高假陽性率使得很多健康人得到「陽性」結果而承受巨大的心理壓力和焦慮。
近年來，基於基因測序的血檢（也就是通常所說的「液體活檢」，是一種非侵入式的血液測試）給腫瘤早篩帶來了新的希望，因為這種方法通常檢測「驅動」基因的突變（導致腫瘤的關鍵突變），而這些突變通常只發生於異常增殖的細胞。
液體活檢兼具無創和特異性高的優點，但是，目前也面臨幾個重大的挑戰：
1. 對於早期腫瘤檢測靈敏度還不夠。早期腫瘤每毫升血清含有的致病突變常少於1個拷貝，這低於目前液體活檢檢測範圍的下限[1, 2]。
2. 液體活檢迄今為止還沒有大規模的健康對照人群實驗，而這對特異性的評估很關鍵 [3]。
3. 液體活檢無法分辨出致病突變的來源。在影像學不能檢出的早期階段，確定腫瘤來源是非常重要的。
針對液體活檢靈敏度較低的問題，約翰·霍普金斯大學醫學院Bert Vogelstein和Anne Marie Lennon研究組去年開發了聯合使用ctDNA KRAS基因檢測和四種蛋白生物標誌物的方法，將早期胰腺癌的檢出率提升到接近2/3 ，這種方法的靈敏度超過了以往任何單個指標[2]。
最近，這兩個研究組和約翰·霍普金斯大學的其它三個研究組（Cristian Tomasetti，Kenneth W. Kinzler 和 Nickolas Papadopoulos研究組）一起拓展了這種方法：聯合應用液體活檢和蛋白腫瘤標誌物檢測，可以一次檢測8種不同的早期腫瘤[4]。1月19日的《科學》（Science）在線發表了這一最新研究成果。
這項研究的第一個難點是，需要設計一個能夠覆蓋大多數腫瘤常見驅動突變的基因位點集合（Panel）用於擴增（PCR）。首先，這個集合需要足夠多的位點來覆蓋多種腫瘤，但是當位點增多時也會增加擴增等操作引起的人為突變，從而降低信噪比。其次，檢測位點增多時會在相同數據量情況下降低測序深度，而低頻突變需要足夠的深度才能被檢測到。最後，作為一項需要用於臨床的技術，成本也是必須考慮的因素，過多的檢測位點將增加患者的負擔。因此，需要平衡檢測的廣度和深度，找到合適的基因位點集合。
研究人員使用已公開發表的數據進行模擬分析，發現當擴增位點超過60個時，繼續增加擴增位點不能擴大所檢測的腫瘤範圍，並且會增加假陽性率（圖1）。基於此，研究人員設計了一個包含61個擴增位點的集合，並對805位腫瘤病人使用了這個集合進行了檢測，發現了在82%的病人中可以檢測到至少一個突變位點。
圖1：腫瘤特異突變擴增的測試。圖片來源：Cohen JD et al., Science (2018)
之前的研究顯示，聯合使用血漿蛋白腫瘤標誌物可以提高ctDNA的檢測效率。研究人員通過文獻搜索，篩選了已知的敏感性大於10%，特異性大於99%的41種腫瘤標誌物。通過對腫瘤病人和健康對照人群的血漿的實際測試，研究人員最終篩選出8種能夠很好地區分腫瘤病人和健康人群的標誌物。值得一提的是，在這項測試中，研究人員選擇了免疫檢測（即使用標誌物特異的抗體）而非昂貴的質譜檢測，充分保證了臨床可行性。
研究人員將這種結合ctDNA和腫瘤標誌物的檢測方法稱為CancerSEEK，並用這種方法對1005位已經診斷出I期和II期的腫瘤病人（I期和II期屬於早期）進行了測試，這些病人包括了最常見的8種腫瘤：卵巢癌，肝癌，胃癌，胰腺癌，食道癌，腸癌，肺癌和乳腺癌。
實驗顯示CancerSEEK對8種腫瘤檢測靈敏度的中位數達到了70%，其中對卵巢癌的靈敏度超過了98%。即使在如此高的靈敏度條件下，總體特異性也超過99%。特別值得注意的是，CancerSEEK對早期腫瘤具有很高的靈敏度，對實驗樣本的統計中最早期的I期肝癌甚至達到了驚人的100%。
液體活檢目前還無法檢測腫瘤來源，限制了其應用範圍。研究人員利用CancerSEEK的臨床測試的結果，採用了一種有監督的機器學習演算法，將CancerSEEK結果與病人臨床檢測的結果匹配。結果顯示，演算法經過學習，即使在沒有任何臨床信息的情況下，也能對腫瘤來源做出預測。在有兩個候選器官時，準確率的中位數達到了83%，其中對腸癌和卵巢癌的準確率分別達到100%和92%。在定位到單個器官時，總準確預測的中位數也達到了63%。
圖2：機器學習對腫瘤來源的預測。來源：Cohen JD et al., Science (2018)
研究人員稱，這種檢測的單次總成本不超過500美元。通過一次檢查，可以檢測至少8種早期腫瘤，並且大多數情況下可以追述腫瘤來源。如果在接下來的臨床實驗中可以取得同等或更優的效果，這種檢測方法可能修改目前早期腫瘤檢測的範式，並將液體活檢的應用推廣到新的高度。
不過，一些研究液體活檢的科學家認為，使用這一通用的驗血方法是否能夠減少癌症患者的死亡而不會造成傷害，還需要時間去發現。在《科學》的新聞報道中，劍橋大學的癌症研究員Nitzan Rosenfeld評論說，這是一個令人激動的進展，「但在現實世界的評估將是一個漫長的過程」[5]。
參考文獻：
1. Bettegowda C, Sausen M, Leary RJ, et al.:Detection of circulating tumor DNA in early- and late-stage human malignancies.Sci Transl Med 6: 224ra224, 2014.
2. Cohen JD, Javed AA, Thoburn C, et al.: Combined circulating tumor DNAand protein biomarker-based liquid biopsy for the earlier detection ofpancreatic cancers. Proc Natl Acad Sci US A 114: 10202-10207, 2017.
3. Cree IA, Uttley L, Buckley Woods H, et al.: The evidence base forcirculating tumour DNA blood-based biomarkers for the early detection ofcancer: a systematic mapping review. BMCCancer 17: 697, 2017.
4. Cohen JD, Li L, Wang Y et al.: Detection and localization of surgically resectable cancerswith a multi-analyte blood test. Science aar3247, 2018.
http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aar3247
5. Kaiser J.: 『Liquid biopsy』 for cancer promises early detection. Science 359:6373, 2018.
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